Processor allocator for chip multiprocessors

Chip MultiProcessor (CMP) architectures consisting of many cores connected through Network-on-Chip (NoC) are becoming main computing platforms for research and computer centers, and in the future for commercial solutions. In order to effectively use CMPs, operating system is an important factor and it should support a multiuser environment in which many parallel jobs are executed simultaneously. It is done by the processor management system of the operating system, which consists of two components: Job Scheduler (JS) and Processor Allocator (PA). The JS is responsible for job scheduling that deals with selection of the next job to be executed, while the task of the PA is processor allocation that selects a set of processors for the job selected by the JS. In this thesis, the PA architecture for the NoC-based CMP is explored. The idea of the PA hardware implementation and its integration on one die together with processing elements of CMP is presented. Such an approach requires the PA to be fast as well as area and energy efficient, because it is only a small component of the CMP. The architecture of hardware version of a PA is presented. The main factor of the structure is a type of processor allocation algorithm, employed inside. Thus, all important allocation techniques are intensively investigated and new schemes are proposed. All of them are compared using experimentation system. The PA driven by the described allocation techniques is synthesized on FPGA and crucial energy and area consumption together with performance parameters are extracted. The proposed CMP uses NoC as interconnection architecture. Therefore, all main NoC structures are studied and tested. Most important parameters such as topology, flow control and routing algorithms are presented and discussed. For the proposed NoC structures, an energy model is proposed and described. Finally, the synthesized PAs and NoCs are evaluated in a simulation system, where NoC-based CMP is created. The experimental environment took into consideration energy and traffic balance characteristics. As a result, the most efficient PA and NoC for CMP are presented

Quality of service differentiation for multimedia delivery in wireless LANs

Delivering multimedia content to heterogeneous devices over a variable networking environment while maintaining high quality levels involves many technical challenges. The research reported in this thesis presents a solution for Quality of Service (QoS)-based service differentiation when delivering multimedia content over the wireless LANs. This thesis has three major contributions outlined below: 1. A Model-based Bandwidth Estimation algorithm (MBE), which estimates the available bandwidth based on novel TCP and UDP throughput models over IEEE 802.11 WLANs. MBE has been modelled, implemented, and tested through simulations and real life testing. In comparison with other bandwidth estimation techniques, MBE shows better performance in terms of error rate, overhead, and loss. 2. An intelligent Prioritized Adaptive Scheme (iPAS), which provides QoS service differentiation for multimedia delivery in wireless networks. iPAS assigns dynamic priorities to various streams and determines their bandwidth share by employing a probabilistic approach-which makes use of stereotypes. The total bandwidth to be allocated is estimated using MBE. The priority level of individual stream is variable and dependent on stream-related characteristics and delivery QoS parameters. iPAS can be deployed seamlessly over the original IEEE 802.11 protocols and can be included in the IEEE 802.21 framework in order to optimize the control signal communication. iPAS has been modelled, implemented, and evaluated via simulations. The results demonstrate that iPAS achieves better performance than the equal channel access mechanism over IEEE 802.11 DCF and a service differentiation scheme on top of IEEE 802.11e EDCA, in terms of fairness, throughput, delay, loss, and estimated PSNR. Additionally, both objective and subjective video quality assessment have been performed using a prototype system. 3. A QoS-based Downlink/Uplink Fairness Scheme, which uses the stereotypes-based structure to balance the QoS parameters (i.e. throughput, delay, and loss) between downlink and uplink VoIP traffic. The proposed scheme has been modelled and tested through simulations. The results show that, in comparison with other downlink/uplink fairness-oriented solutions, the proposed scheme performs better in terms of VoIP capacity and fairness level between downlink and uplink traffic

Stochastische Analyse und lernbasierte Algorithmen zur Ressourcenbereitstellung in optischen Netzwerken

The unprecedented growth in Internet traffic has driven the innovations in provisioning of optical resources as per the need of bandwidth demands such that the resource utilization and spectrum efficiency could be maximized. With the advent of the next generation flexible optical transponders and switches, the flexible-grid-based elastic optical network (EON) is foreseen as an alternative to the widely deployed fixed-grid-based wavelength division multiplexing networks. At the same time, the flexible resource provisioning also raises new challenges for EONs. One such challenge is the spectrum fragmentation. As network traffic varies over time, spectrum gets fragmented due to the setting up and tearing down of non-uniform bandwidth requests over aligned (i.e., continuous) and adjacent (i.e., contiguous) spectrum slices, which leads to a non-optimal spectrum allocation, and generally results in higher blocking probability and lower spectrum utilization in EONs. To address this issue, the allocation and reallocation of optical resources are required to be modeled accurately, and managed efficiently and intelligently. The modeling of routing and spectrum allocation in EONs with the spectrum contiguity and spectrum continuity constraints is well-investigated, but existing models do not consider the fragmentation issue resulted by these constraints and non-uniform bandwidth demands. This thesis addresses this issue and considers both the constraints to computing exact blocking probabilities in EONs with and without spectrum conversion, and with spectrum reallocation (known as defragmentation) for the first time using the Markovian approach. As the exact network models are not scalable with respect to the network size and capacity, this thesis proposes load-independent and load-dependent approximate models to compute approximate blocking probabilities in EONs. Results show that the connection blocking due to fragmentation can be reduced by using a spectrum conversion or a defragmentation approach, but it can not be eliminated in a mesh network topology. This thesis also deals with the important network resource provisioning task in EONs. To this end, it first presents algorithmic solutions to efficiently allocate and reallocate spectrum resources using the fragmentation factor along spectral, time, and spatial dimensions. Furthermore, this thesis highlights the role of machine learning techniques in alleviating issues in static provisioning of optical resources, and presents two use-cases: handling time-varying traffic in optical data center networks, and reducing energy consumption and allocating spectrum proportionately to traffic classes in fiber-wireless networks.Die flexible Nutzung des Spektrums bringt in Elastischen Optischen Netze (EON) neue Herausforderungen mit sich, z.B., die Fragmentierung des Spektrums. Die Fragmentierung entsteht dadurch, dass die Netzwerkverkehrslast sich im Laufe der Zeit ändert und so wird das Spektrum aufgrund des Verbindungsaufbaus und -abbaus fragmentiert. Das für eine Verbindung notwendige Spektrum wird durch aufeinander folgende (kontinuierliche) und benachbarte (zusammenhängende) Spektrumsabschnitte (Slots) gebildet. Dies führt nach den zahlreichen Reservierungen und Freisetzungen des Spektrums zu einer nicht optimalen Zuordnung, die in einer höheren Blockierungs-wahrscheinlichkeit der neuen Verbindungsanfragen und einer geringeren Auslastung von EONs resultiert. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Zuweisung und Neuzuordnung des Spektrums in EONs genau modelliert und effizient sowie intelligent verwaltet werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Fragmentierungsproblem und berücksichtigt dabei die beiden Einschränkungen: Kontiguität und Kontinuität. Unter diesen Annahmen wurden analytische Modelle zur Berechnung einer exakten Blockierungswahrscheinlichkeit in EONs mit und ohne Spektrumskonvertierung erarbeitet. Außerdem umfasst diese Arbeit eine Analyse der Blockierungswahrscheinlichkeit im Falle einer Neuzuordnung des Sprektrums (Defragmentierung). Diese Blockierungsanalyse wird zum ersten Mal mit Hilfe der Markov-Modelle durchgeführt. Da die exakten analytischen Modelle hinsichtlich der Netzwerkgröße und -kapazität nicht skalierbar sind, werden in dieser Dissertation verkehrslastunabhängige und verkehrslastabhängige Approximationsmodelle vorgestellt. Diese Modelle bieten eine Näherung der Blockierungswahrscheinlichkeiten in EONs. Die Ergebnisse zeigen, dass die Blockierungswahrscheinlichkeit einer Verbindung aufgrund von einer Fragmentierung des Spektrums durch die Verwendung einer Spektrumkonvertierung oder eines Defragmentierungsverfahrens verringert werden kann. Eine effiziente Bereitstellung der optischen Netzwerkressourcen ist eine wichtige Aufgabe von EONs. Deswegen befasst sich diese Arbeit mit algorithmischen Lösungen, die Spektrumressource mithilfe des Fragmentierungsfaktors von Spektral-, Zeit- und räumlichen Dimension effizient zuweisen und neu zuordnen. Darüber hinaus wird die Rolle des maschinellen Lernens (ML) für eine verbesserte Bereitstellung der optischen Ressourcen untersucht und das ML basierte Verfahren mit der statischen Ressourcenzuweisung verglichen. Dabei werden zwei Anwendungsbeispiele vorgestellt und analysiert: der Umgang mit einer zeitveränderlichen Verkehrslast in optischen Rechenzentrumsnetzen, und eine Verringerung des Energieverbrauchs und die Zuweisung des Spektrums proportional zu Verkehrsklassen in kombinierten Glasfaser-Funknetzwerken

Sparse octree algorithms for scalable dense volumetric tracking and mapping

This thesis is concerned with the problem of Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM), the task of localising an agent within an unknown environment and at the same time building a representation of it. In particular, we tackle the fundamental scalability limitations of dense volumetric SLAM systems. We do so by proposing a highly efficient hierarchical data-structure based on octrees together with a set of algorithms to support the most compute-intensive operations in typical volumetric reconstruction pipelines. We employ our hierarchical representation in a novel dense pipeline based on occupancy probabilities. Crucially, the complete space representation encoded by the octree enables to demonstrate a fully integrated system in which tracking, mapping and occupancy queries can be performed seamlessly on a single coherent representation. While achieving accuracy either at par or better than the current state-of-the-art, we demonstrate run-time performance of at least an order of magnitude better than currently available hierarchical data-structures. Finally, we introduce a novel multi-scale reconstruction system that exploits our octree hierarchy. By adaptively selecting the appropriate scale to match the effective sensor resolution in both integration and rendering, we demonstrate better reconstruction results and tracking accuracy compared to single-resolution grids. Furthermore, we achieve much higher computational performance by propagating information up and down the tree in a lazy fashion, which allow us to reduce the computational load when updating distant surfaces. We have released our software as an open-source library, named supereight, which is freely available for the benefit of the wider community. One of the main advantages of our library is its flexibility. By carefully providing a set of algorithmic abstractions, supereight enables SLAM practitioners to freely experiment with different map representations with no intervention on the back-end library code and crucially, preserving performance. Our work has been adopted by robotics researchers in both academia and industry.Open Acces

Integrated Scheduling and Beam Steering for Spatial Reuse

This document describes an approach to integrating antenna selection and control into a time-division MAC scheduling process. I argue that through such integration it is possible to achieve greater spatial reuse and interference mitigation than by solving the two problems separately. Without coupling between the MAC scheduling and physical antenna configuration processes, a \u22chicken-and-egg\u22 problem exists: If antenna decisions are made before scheduling, they cannot be optimized for the communication that will actually occur. If, on the other hand, the scheduling decisions are made first, the scheduler cannot know what the actual interference and communications properties of the network will be. This dissertation presents algorithms for optimal spatial reuse TDMA scheduling with reconfigurable antennas. I present and solve the joint beam steering and scheduling problem for spatial reuse TDMA and describe an implemented system based on the algorithms developed. The algorithms described achieve up to a 600% speedup over TDMA in the experiments performed. This is based on using an optimization decomposition approach to arrive at a working distributed protocol which is equivalent to the original problem statement while also producing optimal solutions in an amount of time that is at worst linear in the size of the input. This is, to the best of my knowledge, the first actually implemented STDMA scheduling system based on dual decomposition. This dissertation identifies and briefly address some of the challenges that arise in taking such a system from theory to reality

Wireless Sensor Networks

The aim of this book is to present few important issues of WSNs, from the application, design and technology points of view. The book highlights power efficient design issues related to wireless sensor networks, the existing WSN applications, and discusses the research efforts being undertaken in this field which put the reader in good pace to be able to understand more advanced research and make a contribution in this field for themselves. It is believed that this book serves as a comprehensive reference for graduate and undergraduate senior students who seek to learn latest development in wireless sensor networks

5G-PPP Software Network Working Group:Network Applications: Opening up 5G and beyond networks 5G-PPP projects analysis, Version 2

It is expected that the communication fabric and the way network services are consumed will evolve towards 6G, building on and extending capabilities of 5G and Beyond networks. Service APIs, Operation APIs, Network APIs are different aspects of the network exposure, which provides the communication service providers a way to monetize the network capabilities. Allowing the developer community to use network capabilities via APIs is an emerging area for network monetization. Thus, it is important that network exposure caters for the needs of developers serving different markets, e.g., different vertical industry segments. The concept of “Network Applications” is introduced following this idea. It is defined as a set of services that provides certain functionalities to verticals and their associated use cases. The Network Applications is more than the introduction of new vertical applications that have interaction capabilities. It refers to the need for a separate middleware layer to simplify the implementation and deployment of vertical systems on a large scale. Specifically, third parties or network operators can contribute to Network Applications, depending on the level of interaction and trust. In practice, a Network Application uses the exposed APIs from the network and can either be integrated with (part of) a vertical application or expose its APIs (e.g., service APIs) for further consumption by vertical applications. This paper builds on the findings of the white paper released in 2022. It targets to go into details about the implementations of the two major Network Applications class: “aaS” and hybrid models. It introduces the Network Applications marketplace and put the light on technological solution like CAMARA project, as part of the standard landscape. <br/

Interference charecterisation, location and bandwidth estimation in emerging WiFi networks

Wireless LAN technology based on the IEEE 802.11 standard, commonly referred to as WiFi, has been hugely successful not only for the last hop access to the Internet in home, office and hotspot scenarios but also for realising wireless backhaul in mesh networks and for point -to -point long- distance wireless communication. This success can be mainly attributed to two reasons: low cost of 802.11 hardware from reaching economies of scale, and operation in the unlicensed bands of wireless spectrum.The popularity of WiFi, in particular for indoor wireless access at homes and offices, has led to significant amount of research effort looking at the performance issues arising from various factors, including interference, CSMA/CA based MAC protocol used by 802.11 devices, the impact of link and physical layer overheads on application performance, and spatio-temporal channel variations. These factors affect the performance of applications and services that run over WiFi networks. In this thesis, we experimentally investigate the effects of some of the above mentioned factors in the context of emerging WiFi network scenarios such as multi- interface indoor mesh networks, 802.11n -based WiFi networks and WiFi networks with virtual access points (VAPs). More specifically, this thesis comprises of four experimental characterisation studies: (i) measure prevalence and severity of co- channel interference in urban WiFi deployments; (ii) characterise interference in multi- interface indoor mesh networks; (iii) study the effect of spatio-temporal channel variations, VAPs and multi -band operation on WiFi fingerprinting based location estimation; and (iv) study the effects of newly introduced features in 802.11n like frame aggregation (FA) on available bandwidth estimation.With growing density of WiFi deployments especially in urban areas, co- channel interference becomes a major factor that adversely affects network performance. To characterise the nature of this phenomena at a city scale, we propose using a new measurement methodology called mobile crowdsensing. The idea is to leverage commodity smartphones and the natural mobility of people to characterise urban WiFi co- channel interference. Specifically, we report measurement results obtained for Edinburgh, a representative European city, on detecting the presence of deployed WiFi APs via the mobile crowdsensing approach. These show that few channels in 2.4GHz are heavily used and there is hardly any activity in the 5GHz band even though relatively it has a greater number of available channels. Spatial analysis of spectrum usage reveals that co- channel interference among nearby APs operating in the same channel can be a serious problem with around 10 APs contending with each other in many locations. We find that the characteristics of WiFi deployments at city -scale are similar to those of WiFi deployments in public spaces of different indoor environments. We validate our approach in comparison with wardriving, and also show that our findings generally match with previous studies based on other measurement approaches. As an application of the mobile crowdsensing based urban WiFi monitoring, we outline a cloud based WiFi router configuration service for better interference management with global awareness in urban areas.For mesh networks, the use of multiple radio interfaces is widely seen as a practical way to achieve high end -to -end network performance and better utilisation of available spectrum. However this gives rise to another type of interference (referred to as coexistence interference) due to co- location of multiple radio interfaces. We show that such interference can be so severe that it prevents concurrent successful operation of collocated interfaces even when they use channels from widely different frequency bands. We propose the use of antenna polarisation to mitigate such interference and experimentally study its benefits in both multi -band and single -band configurations. In particular, we show that using differently polarised antennas on a multi -radio platform can be a helpful counteracting mechanism for alleviating receiver blocking and adjacent channel interference phenomena that underlie multi -radio coexistence interference. We also validate observations about adjacent channel interference from previous studies via direct and microscopic observation of MAC behaviour.Location is an indispensable information for navigation and sensing applications. The rapidly growing adoption of smartphones has resulted in a plethora of mobile applications that rely on position information (e.g., shopping apps that use user position information to recommend products to users and help them to find what they want in the store). WiFi fingerprinting is a popular and well studied approach for indoor location estimation that leverages the existing WiFi infrastructure and works based on the difference in strengths of the received AP signals at different locations. However, understanding the impact of WiFi network deployment aspects such as multi -band APs and VAPs has not received much attention in the literature. We first examine the impact of various aspects underlying a WiFi fingerprinting system. Specifically, we investigate different definitions for fingerprinting and location estimation algorithms across different indoor environments ranging from a multi- storey office building to shopping centres of different sizes. Our results show that the fingerprint definition is as important as the choice of location estimation algorithm and there is no single combination of these two that works across all environments or even all floors of a given environment. We then consider the effect of WiFi frequency bands (e.g., 2.4GHz and 5GHz) and the presence of virtual access points (VAPs) on location accuracy with WiFi fingerprinting. Our results demonstrate that lower co- channel interference in the 5GHz band yields more accurate location estimation. We show that the inclusion of VAPs has a significant impact on the location accuracy of WiFi fingerprinting systems; we analyse the potential reasons to explain the findings.End -to -end available bandwidth estimation (ABE) has a wide range of uses, from adaptive application content delivery, transport-level transmission rate adaptation and admission control to traffic engineering and peer node selection in peer -to- peer /overlay networks [ 1, 2]. Given its importance, it has been received much research attention in both wired data networks and legacy WiFi networks (based on 802.11 a/b /g standards), resulting in different ABE techniques and tools proposed to optimise different criteria and suit different scenarios. However, effects of new MAC/PHY layer enhancements in new and next generation WiFi networks (based on 802.11n and 802.11ac standards) have not been studied yet. We experimentally find that among different new features like frame aggregation, channel bonding and MIMO modes (spacial division multiplexing), frame aggregation has the most harmful effect as it has direct effect on ABE by distorting the measurement probing traffic pattern commonly used to estimate available bandwidth. Frame aggregation is also specified in both 802.11n and 802.1 lac standards as a mandatory feature to be supported. We study the effect of enabling frame aggregation, for the first time, on the performance of the ABE using an indoor 802.11n wireless testbed. The analysis of results obtained using three tools - representing two main Probe Rate Model (PRM) and Probe Gap Model (PGM) based approaches for ABE - led us to come up with the two key principles of jumbo probes and having longer measurement probe train sizes to counter the effects of aggregating frames on the performance of ABE tools. Then, we develop a new tool, WBest+ that is aware of the underlying frame aggregation by incorporating these principles. The experimental evaluation of WBest+ shows more accurate ABE in the presence of frame aggregation.Overall, the contributions of this thesis fall in three categories - experimental characterisation, measurement techniques and mitigation/solution approaches for performance problems in emerging WiFi network scenarios. The influence of various factors mentioned above are all studied via experimental evaluation in a testbed or real - world setting. Specifically, co- existence interference characterisation and evaluation of available bandwidth techniques are done using indoor testbeds, whereas characterisation of urban WiFi networks and WiFi fingerprinting based location estimation are carried out in real environments. New measurement approaches are also introduced to aid better experimental evaluation or proposed as new measurement tools. These include mobile crowdsensing based WiFi monitoring; MAC/PHY layer monitoring of co- existence interference; and WBest+ tool for available bandwidth estimation. Finally, new mitigation approaches are proposed to address challenges and problems identified throughout the characterisation studies. These include: a proposal for crowd - based interference management in large scale uncoordinated WiFi networks; exploiting antenna polarisation diversity to remedy the effects of co- existence interference in multi -interface platforms; taking advantage of VAPs and multi -band operation for better location estimation; and introducing the jumbo frame concept and longer probe train sizes to improve performance of ABE tools in next generation WiFi networks

Distributed Resource Management in Converged Telecommunication Infrastructures

Η πέμπτη γενιά (5G) των ασύρματων και κινητών επικοινωνιών αναμένεται να έχει εκτεταμένο αντίκτυπο σε τομείς πέρα από αυτόν της τεχνολογίας πληροφοριών και επικοινωνιών (Information and Communications Technology - ICT). Το 5G ευθυγραμμίζεται με την 4η βιομηχανική εξέλιξη (4th industrial evolution), θολώνοντας τα όρια μεταξύ της φυσικής, της ψηφιακής και της βιολογικής σφαίρας. Σχεδιάστηκε για να προσφέρει δυνατότητες πολλαπλών υπηρεσιών και χρηστών, εκπληρώνοντας ταυτόχρονα πολλαπλές απαιτήσεις και επιχειρηματικά οικοσυστήματα. Ωστόσο, ορισμένες υπηρεσίες, όπως η επαυξημένη πραγματικότητα (Augmented Reality -AR), το εργοστάσιο του μέλλοντος (Factory of the Future) κ.λπ. θέτουν προκλήσεις για την ανάπτυξη μιας ενιαίας 5G υποδομής με βάση την ενεργειακή και οικονομική αποδοτικότητα. Σε αυτή τη κατεύθυνση, η παρούσα διδακτορική διατριβή υιοθετεί την ιδέα μιας καθολικής πλατφόρμας 5G που ενσωματώνει μια πληθώρα τεχνολογιών δικτύωσης (ασύρματες και ενσύρματες), και στοχεύει στην ανάπτυξη μαθηματικών εργαλείων, αλγορίθμων και πρωτοκόλλων για την ενεργειακή και λειτουργική βελτιστοποίηση αυτής της υποδομής και των υπηρεσιών που παρέχει. Αυτή η υποδομή διασυνδέει υπολογιστικούς, αποθηκευτικούς και δικτυακούς πόρους μέσω του προγραμματιζόμενου υλισμικού (hardware-HW) και της λογισμικοποίησης του δικτύου (network softwarisation). Με αυτό τον τρόπο, επιτρέπει την παροχή οποιασδήποτε υπηρεσίας με την ευέλικτη και αποτελεσματική μίξη και αντιστοίχιση πόρων δικτύου, υπολογισμού και αποθήκευσης. Αρχικά, η μελέτη επικεντρώνεται στις προκλήσεις των δικτύων ραδιοπρόσβασης επόμενης γενιάς (NG-RAN), τα οποία αποτελούνται από πολλαπλές τεχνολογίες δικτύου για τη διασύνδεση ενός ευρέος φάσματος συσκευών με υπολογιστικούς και αποθηκευτικούς πόρους. Η ανάπτυξη μικρών κυψελών (small cells) είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτίωση της φασματικής απόδοσης και της ρυθμαπόδοσης και μπορεί να επιτευχθεί είτε μέσω παραδοσιακών κατανεμημένων δικτύων ραδιοπρόσβασης (D-RAN) είτε μέσω δικτύων ραδιοπρόσβασης νέφους (C-RAN). Ενώ το C-RAN προσφέρει μεγάλα οφέλη όσο αφορά την επεξεργασία σήματος και τον συντονισμό σε σχέση με τα D-RAN, απαιτεί υψηλό εύρος ζώνης μετάδοσης και επιβάλλει σοβαρούς περιορισμούς καθυστέρησης στο δίκτυο μεταφοράς. Για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, προτείνεται μια νέα αρχιτεκτονική «αποσύνθεσης των πόρων». Σύμφωνα με αυτήν, οι λειτουργιές βασικής επεξεργασίας σήματος (BBU functions) μπορούν να διαχωριστούν και να εκτελεστούν είτε στην ίδια θέση με τη κεραία (RU), είτε απομακρυσμένα σε κάποια μονάδα επεξεργασίας που βρίσκεται κοντά (DU) ή μακριά (CU) από την κεραία. Αυτή η έννοια της «αποσύνθεσης των πόρων» επιτρέπει την πρόσβαση σε κοινόχρηστους πόρους που παρέχονται από κέντρα δεδομένων μικρής ή μεγάλης κλίμακας, χωρίς να απαιτείται ιδιοκτησία των πόρων. Ωστόσο, η προσέγγιση αυτή απαιτεί την ανάπτυξη νέων πλαισίων βελτιστοποίησης για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της ευελιξίας των υποδομών 5G, ώστε να διαχειρίζονται αποτελεσματικά τους διαχωρισμένους πόρους. Καθοριστικό ρόλο σε αυτό αποτελεί η αρχιτεκτονική της Δικτύωσης Καθορισμένης από Λογισμικό (SDN), η οποία στοχεύει να επιτρέψει την προγραμματιζόμενη και δυναμική διαχείριση των πόρων του δικτύου μέσω κεντρικού ελέγχου. Έχοντας υπόψιν τα παραπάνω, στο πρώτο μέρος της διατριβής αναπτύσσεται ένα πλαίσιο βελτιστοποίησης που προσδιορίζει το βέλτιστο λειτουργικό διαχωρισμό μεταξύ των λειτουργιών βασικής επεξεργασίας σήματος, σε συνδυασμό με τη βέλτιστη τοποθέτηση του SDN ελεγκτή, λαμβάνοντας επίσης υπόψη τη σταθερότητα του συνολικού συστήματος και τη μείωση των συνολικών λειτουργικών δαπανών. Η ανάλυση επεκτείνεται περαιτέρω με προηγμένα σχήματα βελτιστοποίησης, με σκοπό την προσέγγιση ενός πιο ρεαλιστικού περιβάλλοντος 5G, όπου η ραγδαία αύξηση της κίνησης συνεπάγεται την ανάγκη για μεγαλύτερες δυνατότητες κλιμάκωσης για τη διαχείριση των χωρικών και χρονικών μεταβολών της, καθώς και τερματικών με διαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας. Στη συνέχεια μελετούνται τα δίκτυα πυρήνα του 5G. Στα δίκτυα πυρήνα 5G κάθε λειτουργία είναι λογισμικοποιημένη (softwarized) και απομονωμένη, επιτρέποντας την ανάπτυξη της σε υλικό γενικής χρήσης. Επίσης εισάγεται ένας νέος διαχωρισμό μεταξύ των λειτουργιών του επιπέδου ελέγχου και του επιπέδου δεδομένων (Control and User Plane Seperation – CUPS) με βάση την SDN αρχιτεκτονική. Με τον τρόπο αυτό διαχωρίζεται η δικτυακή κίνηση μεταξύ των διαφορετικών 5G οντοτήτων (επίπεδο ελέγχου) και η δικτυακή κίνηση των χρηστών (επίπεδο χρήστη). Κρίσιμο ρόλο στο χειρισμό σημαντικού μέρους του επιπέδου χρήστη στα συστήματα 5G διαδραματίζει η οντότητα «λειτουργία επιπέδου χρήστη» (User Plane Function – UPF). Το UPF είναι υπεύθυνο για την προώθηση της πραγματικής κίνησης χρηστών με πολύ αυστηρές απαιτήσεις απόδοσης. Ανάλογα με τον τύπο της απαιτούμενης υπηρεσίας και την αρχιτεκτονική του δικτύου ραδιοπρόσβασης, οι κόμβοι UPF μπορούν να βρίσκονται είτε πιο κοντά είτε πιο μακριά από αυτό, ανακατευθύνοντας την κυκλοφορία σε διακομιστές κοντά στην άκρη του δικτύου για μείωση του χρόνου καθυστέρησης ή σε κεντρικές εγκαταστάσεις. Ως εκ τούτου, προκύπτει το ερώτημα της επιλογής των βέλτιστων στοιχείων UPF, καθώς η επιλογή ενός μη διαθέσιμου υπολογιστικού πόρου UPF μπορεί να οδηγήσει σε μπλοκάρισμα και καθυστερήσεις της υπηρεσίας. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, προτείνουμε ένα μοντέλο ειδικά σχεδιασμένο για δυναμική επιλογή βέλτιστων στοιχείων UPF με στόχο την ελαχιστοποίηση της συνολικής καθυστέρησης της υπηρεσίας. Αναπτύσσουμε συναρτήσεις κόστους για το μοντέλο χρησιμοποιώντας εργαστηριακές μετρήσεις που ελήφθησαν από μια πλατφόρμα 5G ανοιχτού κώδικα που φιλοξενείται σε περιβάλλον νέφους οπτικού κέντρου δεδομένων. Με το προτεινόμενο μοντέλο, μπορούμε να επιλέξουμε δυναμικά το καταλληλότερο στοιχείο UPF για τη χρήση υπολογιστικών πόρων, μειώνοντας τη καθυστέρηση εξυπηρέτησης. Επεκτείνοντας την έννοια αποσύνθεσης των δικτυακών πόρων, η ανάλυση εστιάζει στα συστήματα 6G, τα οποία αναμένεται να υποστηρίξουν ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών μέσω μιας κοινής υποδομής που διευκολύνεται από τον τεμαχισμό δικτύου (network slicing). Τα συστήματα 6G προβλέπεται να λειτουργούν με αποκεντρωμένο τρόπο, που επιτρέπει στις εφαρμογές να παρεμβαίνουν άμεσα στις διαδικασίες ελέγχου για την πιο αποτελεσματική διασφάλιση της ποιότητας εμπειρίας (Quality of Experience – QoE) των τελικών χρηστών. Αυτό πραγματοποιείται μέσω της χρήσης της οντότητας «λειτουργία εφαρμογής» (Application Function – AF), η οποία διαχειρίζεται την εφαρμογή που εκτελείται στο τερματικό χρήστη (User Equipment – UE) και στο διακομιστή (Application Server - AS) που υποστηρίζει την υπηρεσία. Το AF διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην παροχή υπηρεσιών υψηλού QoE, καθώς ενημερώνεται από την εφαρμογή και μπορεί να επηρεάσει τις αποφάσεις δρομολόγησης της κυκλοφορίας. Ωστόσο, η ανεξέλεγκτη λειτουργία του AF μπορεί να οδηγήσει σε αστάθεια στο σύστημα. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος σχεδιάζουμε, εφαρμόζουμε και αξιολογούμε θεωρητικά και πειραματικά ένα πλήρως κατανεμημένο πλαίσιο λήψης αποφάσεων για την εκχώρηση ροών (flow assignment) στα συστήματα 6G. Το πλαίσιο αυτό αποδεικνύεται ότι, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, συγκλίνει σε ένα σταθερό σημείο που παρέχει τη βέλτιστη ισορροπία μεταξύ QoE και αποδοτικότητας κόστους. Οι συναρτήσεις κόστους που χρησιμοποιούνται ενσωματώνουν τόσο το κόστος δικτύου όσο και το υπολογιστικό κόστος, τα οποία προκύπτουν ρεαλιστικά μέσω μιας λεπτομερούς διαδικασίας που διεξάγεται σε μια λειτουργική 5G πλατφόρμα. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει τη μοντελοποίηση της απόδοσης του συστήματος και των απαιτήσεων σε διαφορετικά σενάρια λειτουργίας, τα οποία μπορούν να βοηθήσουν στη βελτιστοποιημένη διαχείριση του κύκλου ζωής των παρεχόμενων υπηρεσιών. Τέλος, η μελέτη επικεντρώνεται στην πραγματική ανάπτυξη μιας υποδομής 5G που υποστηρίζει τον τεμαχισμό του δικτύου κατά παραγγελία από πολλαπλούς χρήστες. Ο τεμαχισμός του δικτύου επιτρέπει τον διαχωρισμό της φυσικής υποδομής δικτύου σε πολλαπλές λογικές υποδομές που μπορούν να υποστηρίξουν διαφορετικές κατηγορίες υπηρεσιών. Ένα τμήμα δικτύου (slice) έχει τους δικούς του αποκλειστικούς πόρους από το δίκτυο πρόσβασης, μεταφοράς, και πυρήνα, καθώς και στοιχεία από διάφορους τομείς κάτω από τους ίδιους ή διαφορετικούς διαχειριστές. Η κοινή χρήση της υποκείμενης φυσικής υποδομής από τα τμήματα δικτύου περιλαμβάνει την ανάπτυξη κατάλληλων διεπαφών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την σύνδεση των διαφορετικών δικτυακών στοιχείων, καθώς και τη δημιουργία κατάλληλων περιγραφών (descriptors) για την εικονοποίηση των 5G λειτουργιών (Εικονικές Δικτυακές Λειτουργίες 5G - 5G Virtual Network Functions – VNFs). Η συλλογή και ο κατάλληλος συνδυασμός πολλαπλών VNF δίνει μια 5G υπηρεσία δικτύου (Network Service - NS) από άκρη σε άκρη (End to End - E2E). Μέσω μιας πλατφόρμας διαχείρισης και ενορχήστρωσης (Management and Orchestration Platform - MANO), μπορούμε να συνδυάσουμε αυτές τις υπηρεσίες δικτύου για να δημιουργήσουμε και να διαχειριστούμε ένα 5G τμήμα δικτύου. Για να επιτευχθεί αυτό, στη μελέτη αυτή χρησιμοποιείται ένας ενορχηστρωτής που ονομάζεται Open Source MANO (OSM), ο οποίος είναι συμβατός με το πρότυπο της Εικονικοποίησης Λειτουργιών Δικτύου (NFV). Αναπτύσσονται descriptors τόσο για τις λειτουργίες του επιπέδου ελέγχου του 5G, όσο και για το επίπεδο χρήστη. Συνδυάζοντας αυτούς τους descriptors, επιτυγχάνεται η δυναμική υλοποίηση πολλαπλών τμημάτων δικτύου πάνω σε μια 5G πλατφόρμα που υποστηρίζει πολλαπλούς χρήστες και φιλοξενείται σε μια υποδομή κέντρου δεδομένων. Χρησιμοποιώντας τα δημιουργημένα VNF, μπορούμε να εκτελέσουμε το δίκτυο πυρήνα με το πάτημα ενός κουμπιού και να παρέχουμε πολλαπλά τμήματα δικτύου με διαφορετικά χαρακτηριστικά.The fifth generation (5G) of wireless and mobile communications is expected to have a far-reaching impact on society and businesses beyond the information and communications technology (ICT) sector. 5G is aligned with the 4th industrial evolution, blurring the lines between the physical, digital, and biological spheres. A common design is necessary to accommodate all service types based on energy and cost efficiency. To address this, this PhD thesis adopts the idea of a universal 5G platform that integrates a variety of networking technologies (wireless and wired), and aims to develop mathematical tools, algorithms and protocols for the energy and operational optimization of this infrastructure and the services it provides. This infrastructure interconnects computing, storage and network components that are placed at different locations, using the concepts of programmable hardware (hardware-HW) and network software (network softwarisation). In this way, it enables the provision of any service by flexibly and efficiently mixing and matching network, computing and storage resources. The thesis targeted four distinct contributions. All proposed contributions are implemented and investigated experimentally in a 5G open-source lab testbed. The first contribution focused on optimal function and resource allocation adopting the innovative 5G RAN architecture, that splits flexibly the baseband processing function chain between Remote, Distributed and Central Units. This enables access to shared resources provided by micro or large-scale remote data centers, without requiring resource ownership. To support this architecture, networks adopt the Software Defined Networking (SDN) approach, where the control plane is decoupled from the data plane and the associated network devices and is centralized in a software-based controller. In this context, the goal of the proposed approach was to develop effective optimization techniques that identify the optimal functional split, along with the optimal location and size of the SDN controllers. The second contribution concentrated on solving the User Plane Function (UPF) selection problem in 5G core networks. According to the SDN paradigm 5G core control plane functions manage the network, while UPFs are responsible for handling users’ data. Depending on the 5G RAN deployment option and the nature of the service, UPF nodes can be placed closer to the network edge, directing traffic to the Multi-access Edge Computing (MEC) servers hence reducing latency, or be placed deeper into the network directing traffic to central cloud facilities. In this context, a framework that selects the optimal UPF nodes to handle user’s traffic minimizing total service delay has been proposed. The third contribution pertained to service provisioning in upcoming telecommunication systems. 6G systems require novel architectural Quality of Experience (QoE) models and resource allocation strategies that can differentiate between data streams originating from the same or multiple User Equipment (UEs), respond to changes in the underlying physical infrastructure, and scale with the number of connected devices. Currently, centralized management and network orchestration (MANO) platforms provide this functionality, but they suffer scalability issues. Therefore, future systems are anticipated to operate in a distributed manner, allowing applications to directly intervene in relevant control processes to ensure the required QoE. The proposed approach focused on developing a flow assignment model that supports applications running on UEs. The final contribution of this thesis focused on the deployment of a 5G infrastructure that supports multi-tenant network slicing on demand. Sharing of the underlying physical infrastructure was achieved through the development of suitable interfaces for integrating different network components and the creation of appropriate descriptors for virtual 5G network functions (VNFs). By collecting and combining multiple VNFs, an end-to-end 5G Network Service (NS) can be obtained. Using a MANO platform, these NSs can be combined to instantiate and manage a 5G network slice